人教版高中物理必修第二册 第8章 第5节 实验：验证机械能守恒定律（课件）(共21张PPT)

(共21张PPT)
第8章　机械能守恒定律
第5节　实验：验证机械
能守恒定律
　　机械能守恒定律阐述了在只有重力或弹力做功的系统内，动能和势能相互转化时总的机械能保持不变。
　　请同学们设计实验来验证机械能守恒定律。
导入
　　在蹦极的过程中，系统机械能守恒吗？为什么？
　　(1)系统机械能守恒。因为在蹦极的过程中，人只受到了重力和弹力。
　　(2)系统机械能不守恒。因为在蹦极的过程中，人除了受到了重力和弹力，还受到了空气阻力，所以机械能不守恒。
　　如果可以忽略空气阻力的影响，系统机械能守恒吗
　　可以认为系统机械能守恒。
环节一：依据机械能守恒定律，设计实验方案
　　从实际情况到物理模型，还是有差异的。那么，我们该设计什么样的实验情境来验证机械能守恒定律呢？
　　(1)可以选择自由落体运动、抛体运动、物体沿光滑轨道下滑、弹簧和小球组成的系统来进行验证。
　　(2)应该选择质量大、体积小且表面比较光滑的物体来进行实验。
环节一：依据机械能守恒定律，设计实验方案
实验思路
　　(1)质量为m的物体由静止下落，以地面作为重力势能的参考面，如果忽略空气阻力的影响，任选初状态和末状态，则有：
　　mv初2＋mgh初＝mv末2＋mgh末，
　　mgh初﹣mgh末＝mv末2﹣mv初2，
　　mgΔh＝mv末2﹣mv初2。
环节一：依据机械能守恒定律，设计实验方案
　　所以，只要测量出重物下落的高度、初状态的速度和末状态速度，在实验误差范围内满足重力势能的减少量等于动能的增加量，就可以验证机械能守恒。
　　实验器材可以选用打点计时器，得到重物下落过程中的纸带。
　　通过纸带，用刻度尺测量出重物下落的高度，再利用纸带数据可以计算出初状态和末状态的速度，就可以验证机械能是否守恒了。
环节一：依据机械能守恒定律，设计实验方案
　　(2)选择物体下落作为研究过程，如果我们选择从开始下落的O 点至任意一点来进行研究，则有mgh＝mv2。
　　所以，只要测量出重物下落的高度和末状态的速度，在实验误差范围内满足上述关系式，就可以验证机械能是否守恒了。
　　(3)可以借助于频闪照片，来测量相应的物理量。
　　(4)可以运用平抛运动演示仪，通过得到平抛运动的轨迹，也可以测出相应的高度差、瞬时速度来验证机械能守恒。
　　(5)可以用气垫导轨和光电门来验证机械能守恒定律。
环节一：依据机械能守恒定律，设计实验方案
实验器材
　　打点计时器、低压交流电源、带有铁夹的铁架台、纸带、复写纸、带夹子的重物、刻度尺、导线等。
实验过程
　　我们该如何进行实验操作？实验操作过程中，我们要注意哪些细节呢？
环节二：根据实验原理，明确实验步骤，搭建
　　　　实验器材，完成实验数据测量
　　首先，组装实验装置，将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路。然后，将纸带的一端用
夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限
位孔，用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时
器的地方。先接通电源，后松开纸带，让重物带
着纸带自由下落。更换纸带重复做3～5次实验。
最后，对得到的纸带进行数据处理，分析实验数
据，得到实验结论。
环节二：根据实验原理，明确实验步骤，搭建
　　　　实验器材，完成实验数据测量
　　实验操作过程中，为了尽可能减小实验误差，我们要注意哪些环节
　　只有重力或弹力做功时，系统机械能守恒。在这个实验过程中，要尽可能地减小空气阻力和摩擦力。所以，应选用质量和密度较大的重物，使重物受到的重力远大于重物受到的空气阻力和摩擦力，可使空气阻力和摩擦力的影响相对减小。
　　另一方面，打点计时器要固定在稳定的铁架台上，打点计时器平面与纸带限位孔要调整到沿竖直方向，以减小摩擦力。同样，实验中要保持提纸带的手不动，且保证纸带竖直，先接通电源，待打点计时器工作稳定后，再放开纸带。
环节二：根据实验原理，明确实验步骤，搭建
　　　　实验器材，完成实验数据测量
　　根据实验原理有mgh初﹣mgh末＝mv末2﹣mv初2，那么实验中该怎样测量物体重力势能的减少量呢？
　　选择点迹小而清晰的纸带，为了减小实验误差，测
量下落高度时，要从第一个小而清晰的点迹测起，并且
各点对应的高度一次测完。利用刻度尺测出hOA、hOB、
hOC、hOD、hOE、hOF、hOG。研究从B点到F点的运动过程，
重力势能的减少量为mg(hOF﹣hOB)。
环节三：处理数据，得出结论，分析实验误差，
　　　　验证机械能守恒定律
　　实验中该如何得到每点的瞬时速度？
　　可以根据vB＝，vF＝来得到瞬时速度。
　　需要测量重物的质量吗
　　等式两边都有质量，可以消去，不需要测量重物的质量。
环节三：处理数据，得出结论，分析实验误差，
　　　　验证机械能守恒定律
实验数据记录表格
环节三：处理数据，得出结论，分析实验误差，
　　　　验证机械能守恒定律
实验结论
　　在实验误差范围内，重力势能的减少量等于动能的增加量，系统机械能守恒。
环节三：处理数据，得出结论，分析实验误差，
　　　　验证机械能守恒定律
实验误差分析
　　我们发现重力势能的减少量总是稍大于动能的增加量，这是为什么呢？
　　实验过程中存在着阻力，阻力做负功会使系统损失一定的机械能，物体实际下落的过程中，减少的重力势能一部分转化为动能，一部分转化为内能。所以，重力势能的减少量会略大于动能的增加量。
　　该类由于测量方法本身所造成的误差，我们称之为系统误差。
环节三：处理数据，得出结论，分析实验误差，
　　　　验证机械能守恒定律
　　某点的瞬时速度可以选择用v＝gt或v＝计算出来吗？为什么？
　　利用v＝gt来计算，认为加速度为g，但实验过程中总是存在阻力，实际加速度小于g。若根据v＝gt来计算物体的速度，则变成消除了阻力影响，计算出的相应动能偏大。
　　也不能用v＝来计算速度。因为我们要根据物体实际运动的速度来验证，应根据物体的实际加速度a来分析，实际上a＜g。如果根据v＝来计算物体的速度，阻力造成的系统误差已经自行消除，等式两边一定成立，这样就陷入了自洽矛盾。
环节三：处理数据，得出结论，分析实验误差，
　　　　验证机械能守恒定律
　　我们可以选择从开始下落的O点至任意一点来进行研究，我们可以按照上述方法来验证mgh＝mvn2是否相等。除了通过计算来分析数据，我们还可以采用什么方式分析数据？
　　图像法。
　　我们可以通过作出什么图像来验证机械能是否守恒？
　　可以从纸带上选取多个点，测量从第一个点到其余各点下落的高度，并计算出各点速度的二次方，以v2为纵轴、以h为横轴，根据计算出的实验数据作出v2-h图像。
环节三：处理数据，得出结论，分析实验误差，
　　　　验证机械能守恒定律
　　该如何从图像中分析是否满足机械能守恒定律？
　　因为如果测量是从起始点算起的，则需要满足mgh＝mv2，即v2＝2gh。还需要进一步判断图像的斜率是否接近2g。
　　最终，我们得到的实验结论是什么？
　　在实验误差范围内，该过程中重力势能和动能相互转化，系统机械能守恒。
环节三：处理数据，得出结论，分析实验误差，
　　　　验证机械能守恒定律
课堂练习
D
课堂练习
B
课堂练习
A
AB
﹣mghB
C
　　不正确。因为如果测量是从起始点算起的，则需要满足mgh＝mv2，即v2＝2gh。还需要进一步判断图像的斜率是否接近2g。